Скорость света — не предел?

Исследовательский центр Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) 23 сентября за­явил об обнаружении суб­атомных частиц — мюонных нейтрино, которые могут двигаться быстрее света. В этом открытии есть и доля труда украинских ученых.

Безумный результат

В ходе эксперимента пучок мюонных нейтрино, направленный под землей из ЦЕРНа в итальянскую лабораторию Гран-Сассо, пре­одолел расстояние около 732 км несколько быстрее, чем со скоростью света. В то же время современная физика в значительной степени базируется на специальной теории относительности, которая постулирует, что превысить скорость света невозможно.

Это сенсация столь огромного масштаба, что исследователи сделали пока достаточно осторожное заявление, хотя в рамках эксперимента им удалось зарегистрировать 16111 случаев, когда нейтрино приходили раньше расчетного времени. В среднем скорость частиц превышает скорость света на 0,00248%, то есть на 60 наносекунд, — это статистически достоверные результаты. Стоит заметить, что это не первое заявление подобного рода: в 2007 году в рамках проекта MINOS тоже было обнаружено, что нейтрино от ускорителя в лаборатории Ферми приходят чуть раньше, чем нужно. Правда, тогда ученые посчитали этот результат статистически недостоверным.

— Мы попытались найти этому явлению все возможные объяснения, — заявил соавтор исследования Антонио Эредитато. — Хотели найти ошибку — тривиальную или сложную, побочный эффект, что угодно, и не нашли. Мы ничего не заявляем, но просто желаем получить помощь научного сообщества, чтобы понять наш безумный результат, потому что он действительно безумен.

Специалисты ЦЕРНа провели семинар, где в открытом режиме обсудили не­обычные результаты. Многие все равно остались настроены довольно скептически, ведь сообщения о том, что какие-либо объекты способны двигаться быстрее света, появляются регулярно, однако все они опровергаются. Скептики считают, что новые результаты можно интерпретировать иначе, чем превышение скорости света, этой «священной коровы» теории относительности. Например, некоторые физики предполагают, что нейтрино могут «просачиваться» через дополнительные измерения, существование которых предсказывается, например, теорией суперструн. Как кажется, это не менее сенсационное предположение, чем сообщение о превышение скорости света. Как бы то ни было, все физики, включая авторов сенсации, согласны: пока не будет получено независимое подтверждение результатов, ничего конкретного окончательно сказать нельзя.

Эти загадочные нейтрино

Попытки поймать и исследовать нейтрино предпринимались и предпринимаются в различных международных экспериментах. Один из них — грандиозный проект OPERA. В его рамках миллиарды миллиардов мюон-нейтрино были посланы из суперпротонного ускорителя ЦЕРН в Женеве в Италию, в подземную лабораторию Гран-Сассо, где они попадали на детекторы, пронзали их и летели дальше. В 2010 году здесь получены прямые доказательства того, что мюонные нейтрино — своего рода частицы-оборотни, они могут превращаться в тау-нейтрино.

Кстати сказать, хотя аббревиатура OPERA расшифровывается как Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, эмблемой проекта является изображение оперного зала — в знак того, что регистрация нейтрино происходит в Италии, оперной столице мира.

Для преодоления 730 км этим частичкам достаточно всего 2,4 миллисекунды. Очень слабое взаимодействие нейтрино с веществом делает эксперименты чрезвычайно трудными в осуществлении. Например, для исключения влияния космических лучей лабораторию потребовалось расположить на глубине 1,4 км под землей — под горой, в боковых залах автомобильного туннеля на дороге Рим–Терамо. И суметь направить луч нейтрино из ЦЕРНа точно «в яблочко» — в лабораторию Гран Сассо.

В проекте OPERA принимают участие примерно 200 физиков из 36 институтов и 13 стран. Соавторами важного научного результата наряду со специалистами из других европейских стран можно назвать коллективы Института сцинтилляционных материалов (ИСМА) НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Россия). В конструкцию детекторов, сумевших поймать сверхсветовые нейтрино, входят сцинтилляторы, разработанные и произведенные специалистами из Харькова.

— Борис Викторович, как именно проходят эксперименты? — спрашиваем академика НАН Украины Бориса Гринева.

— Сначала в суперпротонном синхротроне, расположенном в CERN на границе Франции и Швейцарии, протоны бомбят графитовую мишень. В результате этого возникают мезоны, которые в полете начинают распадаться с выделением мюонных нейтрино. Полученные частицы под землей пролетают порядка 730 километров, пересекают несколько государственных границ и оказываются в Италии. Здесь, под толщей горных пород (такое расположение позволяет свести к минимуму фон, создаваемый космическими и земными нейтрино), находится крупнейшая в мире лаборатория по изучению элементарных частиц — Гран-Сассо. Здесь частицы и регистрируются при помощи детекторов.

— Что представляют собой эти устройства?

— Стенки детекторов складываются из своего рода «кирпичей», состоящих из многих слоев фотоэмульсий и свинца. Между ними закладывается так называемая система целеуказания из разных детекторов-сцинтилляторов для измерения параметров образующихся продуктов реакции. Именно благодаря этой системе удалось предположить наличие эффекта, вынесенного в заголовок статьи.

Напомню, что сцинтилляторы — это среды, в которых под действием излучения возникают световые вспышки, так называемые сцинтилляции. Автоматика регистрирует факт такой вспышки, оценивает, в каком именно из «кирпичей» произошло взаимодействие, и его из стенки вынимают. Затем проявляют все слои фотоэмульсии, просматривают их, измеряют параметры оставленного на них следа реакции и только после этого делают окончательный вывод, какая именно частица его оставила.

— И сколько же в детекторе заложено таких «кирпичей»? 

— Всего в эксперименте задействовано 62 стенки из 206336 «кирпичей», в каждом из которых — 57 слоев фотоэмульсии. Просмотр одного «кирпичика» на самых современных компьютерах и специализированном оборудовании занимает десятки часов. А вообще экспериментальная установка — это огромное и сложное сооружение размером примерно 10x10x100 метров, вмещающее несколько систем регистрации для обнаружения частиц. Для ловли неуловимого нейтрино нужна большая и густая сеть.

— Что конкретно в этом эксперименте делали украинские и российские ученые?

— Для проекта OPERA в нашем институте изготовили более 30000 стрипов-лент из сцинтилляционного полистирола длиной 7 метров, толщиной 1 сантиметр и шириной 2,6 сантиметра. Совместно с коллегами из Дубны мы осуществляли расчеты и моделирование установки, изготавливали регистрирующие элементы системы целеуказания, собирали модули системы, проверяли и устанавливали их в Гран-Сассо.

Для этого эксперимента потребовалась новая технология изготовления пластмассовых сцинтилляторов, разработанная в нашем институте в кратчайшие сроки. Общеевропейский конкурс вы­явил ее несомненное преимущество, и в результате ИСМА НАНУ получил этот европейский заказ.

— Это единственный международный проект по исследованию нейтрино, в котором участвуют ученые вашего института?

— Нет. Следующие международные проекты с нашим участием, связанные с исследованием свойств нейтрино,  — Super Nemo (Франция) и Mu2е (США). Цель — поиск так называемого безнейтринного двойного бета-распада — очень редкого процесса ядерного распада. Если его обнаружат, физики получат ответ на еще одну загадку: являются ли нейтрино майорановской частицей, то есть совпадают ее частица и античастица или нет? Мы ведем исследовательскую работу по созданию пластмассовых жидких и неорганических сцинтилляторов, обладающих высоким энергетическим разрешением и высокой чувствительностью.

…Похоже, эта сенсация с нейтрино подвигает нас в область фантастики. Еще в прошлом веке профессор физики Колумбийского университета Джеральд Фейнберг выдвинул теорию о том, что за световым барьером существует мир, состоящий из частиц, называемых тахионами. Они, по его словам, способны двигаться быстрее света. Может быть, мы стали ближе к этому загадочному тахионному миру?

Тем временем

— OPERA — не первый, но и далеко не последний проект охоты за нейтрино, — подчеркивает директор лаборатории ядерных проблем ОИЯИ доктор физико-математических наук Александр Ольшевский. — Впереди — поиск нейтрино от сверхновых звезд, изучение атмосферных нейтринных аномалий, исследование антинейтрино… Есть еще одна чрезвычайно интересная задача — обнаружить космическое нейтринное реликтовое излучение, несущее информацию о Вселенной спустя всего одну секунду после начала ее расширения. Для этого нужны новые и новые эксперименты.

Чем больше мы узнаем о нейтрино, тем шире можно будет использовать эту частицу в разных отраслях астрономии и техники. Одно из перспективных направлений ее применения — нейтринная астрономия. К примеру, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать удаленные астрономические объекты. Теоретически потоки нейтрино могут быть также использованы для создания средств связи. Возможно, придуманный фантастами нейтринный контакт с внеземной цивилизацией не так уж нереален?

Практическое применение частиц — развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять реакторный нейтринный спектр и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива, включая наработку оружейного плутония. Такой детектор мы уже сделали совместно с харьковчанами.

Ученые начали присматривать и другие «угодья» для охоты за нейтрино, помимо земных. В стадии реализации — несколько проектов по его поиску с помощью Луны. Радиотелескопы, нацеленные на нее, должны фиксировать короткие вспышки радиоимпульсов, появляющиеся при столкновении неуловимых частиц с безжизненной лунной поверхностью. Подходящим местом может стать и покрытый льдом спутник Юпитера Европа, на поверхности которого есть камневидный материал, образовавшийся в результате столкновений с космическими телами.